放气|真空室内的放气是什么

放气 | 真空室内的放气是什么？

真空沉积中的放气 放气被定义为释放之前被捕获、溶解、吸收或冻结在材料中的气体，这对高真空沉积来说是一个挑战。在热力学中，气体分子总是倾向于从压力较高的地方移动到压力较低的地方，因此降低腔室中的压力水平会面临诸如进入腔室的气体负载等障碍。 在高真空系统中，真空过程中最重要的气体负载源是从真空室中物体表面排出的气体，称为放气。 为了减少表面原子的不完全结合，表面是吸附在真空中时从表面释放的气体和蒸汽的活性位点。这意味着，无论材料类型如何，所有表面都会放气。 真空沉积是制备高质量薄膜的关键因素，其中沉积室的压力远低于大气压。因此，颗粒离开靶向基底的平均自由程增加，这使得薄膜——一个几纳米到几微米厚度的层——的形成成为可能。 薄膜的独特性能出现在光学、电学、介电应用等领域，并且对杂质的存在高度敏感，这可能会使其性能恶化。在高真空系统中，不希望的颗粒在腔室内减少，从而产生更均匀、更纯净的薄膜；然而，进入腔室的气体负载量会影响泵送速度、泵送时间和最低可达压力[1，2]。 放气源 放气现象的四个主要来源是： 蒸发：物质分子从其表面释放出来 解吸：已经吸附在物质表面的气体分子的释放。这个过程可能是由于热、电或光刺激而发生的。 扩散：气体分子从大量材料中释放出来。这些分子在制造过程中或当材料暴露于空气中时溶解在材料的主体中，当材料处于低压环境（如真空室）中时到达材料的表面并从表面释放。 渗透：空气原子从真空室进入真空室。当真空室周围的气体原子穿透真空室的实心壁进入真空室时，就会出现这种现象。此过程包括三个步骤。首先，原子被室的外壁吸收。在第二步骤中，它们扩散穿过本体材料并到达真空室内壁的表面，并且最终从内壁释放到真空室中。这四个过程如图1所示。

  排气材料 排气率是指在单位时间内每单位面积释放的气体量，不同材料的排气率可能相差9个数量级。因此，只有材料的放气速率不超过允许的极限时，才允许在高真空环境中存在。一些不应在真空环境中使用的材料包括：液体、塑料、弹性体、粘合剂、多孔陶瓷以及与活体有关的效果，如头发、指甲、皮肤细胞、指纹等。排气流速的近似值由方程（1）给出： Q ̇= ∑ a1h∙A / (t⁄1h)^α          Equation (1) 其中A是几何表面项，a1h是1小时后的放气速率，α是衰变常数，总和是所有表面的贡献。衰变常数在0.2-1.2的范围内，包含有关材料类型和脱气机制的信息。几种材料的衰变常数如表1所示。不同材料的排气速率如图2所示。
Material Decay constant (α)
Clean metal surfaces 1.1-1.2
Desorption from surfaces 1
Metals, glasses, and ceramics 1
Polymers 0.4-0.8
Highly porous surfaces 0.5-0.7
Diffusion controlled outgassing from the bulk 0.5
Table 1. Decay constant of some type of materials [3].   减少放气的方法： 有几种方法可以降低真空室中的放气量，包括适当选择材料、处理和清洁表面、表面处理和烘焙。这些方法通常基于两种方法： 1.在使用前尽可能多地暂时刺激分子从表面解吸， 2.在整个操作过程中，在表面上形成阻挡层以阻挡吸附的分子解吸。
Several methods to reduce outgassing are presented in Table 2.
Method Material Effective for Not Effective for Vacuum Level Time
Wash
Hot water/solvent, detergent
 Gross/fine contaminants Grease Pressures >10-3mbar < 30 min
Vapor Degrease Heated solvent Gross/fine contaminants, loosely bound heavy molecules Inaccessible areas, large parts Order of magnitude reduction in outgassing < 1 hour
Blowing Air, nitrogen or other dry inert gas Gross/fine contaminants, loosely bound heavy molecules Grease < 30 min
Chemical Treatment H2O, HCl, HNO3or HF Rough surfaces (O2, C, P or Cladsorption) Order of magnitude reduction in outgassing rate < 30 min
Reactive Gas O2 or NO for oxidation, H2 or NH3 for reduction Hydrocarbons, surface reconditioning after atmospheric exposure Can form unwanted oxides Reduction in outgassing rate by 50% up to 5 orders of magnitude 30 min- 2 hours
Glow Discharge Ar/5-10%O2, Ar, O2, N2, H2,… C or O based molecules, large surface areas, reconditioning after atmospheric exposure Large components 13 x reduction in outgassing rate ~ 2 hours
Passive Coating Si, TiN, BN, Al2O3,ZrO3 H2 from metals, CO, CO2, H2O 0.1-100 x reduction in H2outgassing Depends on size
Active Coating Hf, Zr, Ti, Pd, V and combination H2, H2O, CO, O2, N2, small spaces Hydrocarbons, inert gas, continual operation (needs re-activation and replacement) Outgassing reduced to <10−13 with no bake Depends on size
Vacuum Bake Metals, UHV, H2O Temperature sensitive components Reduces outgassing of H2to<10−14 2-400 hours
Air Bake Air Stainless steel, aluminum, H2, CO, CO2, CH4 Plastic, cadmium plating, temperature sensitive components Reduces outgassing of H2to<10−14 2-400 hours
Table 2. Methods of reducing outgassing [3].   真空排气与泄漏 高真空系统的用户可能会将放气现象与实际泄漏混淆，因为实际泄漏是释放到真空室的气体源，阻碍了抽空过程。在排气的情况下，压力会随着时间的推移而降低，但在泄漏的情况下压力不会下降到某个水平以下。 压力越低，放气就越多。这种现象在旋转泵达到的压力下通常不明显。因此，发现阻止系统排空的问题来源是找到正确解决方案的第一步。另一篇文章讨论了真空泄漏源的检测方法和适当的解决方案。 许多在超高真空范围（UHV）下工作的设备都使用所谓的电热毯。在这些系统中，通过加热或所谓的烘焙系统，热能被传递到被捕获在真空室的内表面上的分子，并且它们更快地与表面分离并传递到真空室的外部 如前所述，在真空系统的构造中使用的材料在减少脱气现象方面具有显著效果。这一点在Vac Coat产品的生产中没有被忽视。该公司产品中的真空室及其组件都是真空涂层系统，其设计和建造方式是将这些系统中的放气量降至最低。  

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